西安交通大學仿生工程與生物力學中心:中心簡介,學術帶頭人,研究方向,生物熱-力-電

西安交通大學仿生工程與生物力學中心（Bioinspired Engineering and Biomechanics Center，簡稱BEBC）是盧天健教授和徐峰教授圍繞學術思想，以科學研究產業化為目標組建的多學科交叉研究中心。該中心遵循“力學基礎理論-生物技術研發-套用推廣”的學術思路，通過理解和探索人體組織/細胞的力學行為和力學環境，將固體力學和流體力學與工程學、生物醫學等領域進行交叉融合，開展了生物組織熱-力-電耦合學、基於力學的先進生物製造、基於生物微流體力學的即時診斷技術及生物醫學工程中一些焦點問題的研究。

現已形成一支具有從事高水平學科交叉研究能力的隊伍（教師7人，博士後4人，博士生16人，碩士生15人），以及一支將科研成果推向產業化的團隊（4人）。重要成果體現在中英文專著5本、英文專著章節11 章；SCI 源刊期刊論文100餘篇（過去5年內85篇），其中進入JCR 期刊排名10%的有40篇，總影響因子超過370；獲授權發明專利6項，實現了若干關鍵套用，其中包括被中國南方智谷以創新團隊的形式引進的科研成果。

基本介紹

中文名：仿生工程與生物力學中心
英文名：Bioinspired Engineering and Biomechanics Center
簡稱：BEBC
創辦時間：2007年1月
學校類型：西安交通大學
屬性：多學科交叉類型研究中心
所屬地區：陝西省西安市碑林區

中心簡介,學術帶頭人,研究方向,生物熱-力-電耦合學,細胞微環境工程,即時診斷技術,南方智谷生物前沿即時診斷技術研發創新團隊,主要研究成果,專著,編輯專刊,

中心簡介

西安交通大學仿生工程與生物力學中心（簡稱BEBC)，該中心從生物力學、生物傳熱學、生物醫學等理論體系出發，依託組織工程、細胞列印等相關前沿生物技術，著力於解決生物醫學工程的基礎性研究以及臨床醫學治療方案的設計、最佳化。通過吸收優秀人才，營造自由、規範、科研氣息濃厚的研究平台，促進交叉學科領域的綜合性研究工作，形成自身的研究特色和理論體系，開創具有原創性的科研成果，推動生物醫學工程的基礎研究和套用研究的進展，培養具備跨學科能力的創新型科研人員。

西安交大仿生工程與生物力學中心地理位置

學術帶頭人

盧天健

西安交通大學教授、博士生導師

中組部千人計畫

新世紀百千萬人才工程

國家重點基礎研究發展計畫（973計畫）首席科學家

研究團隊：力學材料組，生物力學組，傳熱組，聲學小組

研究方向：固體力學；傳熱學；聲學；材料學；生物熱力學、疼痛、康復科學與工程；即時診斷。

徐峰

西安交通大學教授、博士生導師

中組部青年千人計畫

陝西省百人計畫

教育部新世紀優秀人才支持計畫

研究方向：細胞微環境工程；即時診斷；智慧型納米生物材料。

研究方向

生物熱-力-電耦合學

1.可興奮細胞/組織的力-電耦合問題

心臟主要由心肌細胞和間質細胞構成，心肌細胞體積大（約占心臟體積3/4）但數量少（約占心臟細胞數量），而剩餘心臟空間幾乎由間質細胞填補；心室的心肌細胞接受來自竇房結的興奮，會引起心肌細胞內膜電位的變化，產導致心肌細胞鈣離子濃度變化；心肌細胞鈣離子濃度變化又會影響心肌細胞收縮力的改變，這樣就將心肌細胞的電學特性和力學特性耦合起來。但由於心血管疾病會改變力學或電學特性，因此這一研究便頗具價值。

2. 生物組織的熱-力耦合問題

3. 軟物質力-化耦合問題

由Belousov-Zhabotinsky（BZ）化學反應驅動而產生自治振盪的凝膠（簡稱BZ 凝膠）是功能性凝膠研究領域的新材料，在仿生、人工智慧等方面有著廣泛的套用前景。基於材料變形及化學動力學相關理論，我們深入研究了BZ 自振盪凝膠的動力學特性。模擬了BZ 凝膠的自振盪過程並對其動力學相軌跡圖進行分析，發現BZ 凝膠的自振盪屬於典型的穩態極限環振盪行為。基於該凝膠的極限環振盪特徵，利用改進的打靶法得到了BZ 凝膠的振盪周期，研究了與BZ 反應機制、初始反應物濃度、催化劑氧化還原速率和凝膠對BZ 反應的回響強度等因素有關的系統參數的變化對凝膠的振盪形式、周期和幅值的影響。結果表明，只有當這些可調節的系統參數滿足一定的要求時，BZ 凝膠才能發生持續的極限環振盪；隨著這些系統參數的改變，BZ 凝膠的振盪形式、周期和幅值將產生規律性的變化。此研究從非線性動力學角度對BZ 凝膠振盪行為進行分析，填補了有關BZ 凝膠的振盪特性和控制方面的空白。

細胞微環境工程

微凝膠自組裝

水凝膠是高含水率的網狀高分子聚合物，具有生物相容性好、力學性能與人體組織相似等特點。微尺度水凝膠是先進加工技術與生物材料相結合的產物，用於製備模擬人體組織的微米級單元(生物磚)。利用工程的方法將這些具有不同性能的生物磚進行組裝，從而模擬生物組織的化學參數、物理結構等特徵，最終形成功能化的組織結構。自組裝是組裝這些生物磚最為重要的手段之一，由於尺度小（微米級）和材料柔軟，傳統的機械方法很難操作這些生物磚。本實驗室致力於開發各種微凝膠的自組裝方法，包括聲學、磁學及靜電學的微凝膠自組裝。這些方法的結合，為構建功能化生物組織奠定了技術基礎。

即時診斷技術

1. 稀土上轉換微納管制備

稀土上轉換髮光材料是一種在紅外光激發下能發出可見或紫外光的發光材料，即可通過多光子機制把長波輻射轉換成短波輻射。由於上轉換髮光所吸收的光子能量低於所發射的光子能量，這種現象違背了一般發光現象所遵守的斯托克斯(Stokes)定律，因而又稱為反Stokes定律發光材料。NaYF₄:Yb,Er是目前研究中發光效率最高的一個上轉換材料，我們通過水熱法製備出不同尺寸和形貌的NaYF₄:Yb,Er顆粒，並且發現空心管狀結構的顆粒具有更強的發光強度，該材料的製備將為生物醫藥領域（細胞成像、生物感測器設計、藥物輸送及疾病診斷和治療等）的進一步發展做出巨大的貢獻。

2. 水溶性稀土材料製備

稀土納米材料是一種上轉化螢光材料，能依靠低能量的紅外光激發出高能量的紫外-可見光。而且還具有激發峰尖、無自螢光、可長時激發、發射光可調、對組織穿透能力好、毒性低等特點，所以有很廣的生物套用。本方向就是製備出納米級的上轉化材料，賦予其水溶性和功能化，並套用於生物標記、生物成像、靶向載藥、及時診斷等方面。

3. 微流控晶片

即時診斷是憑藉便捷、快速的優勢，實現在患者身邊快速取得診斷結果的技術。

4. 試紙

試紙設計簡單、加工方便、使用簡單、成本低廉，因而備受歡迎；我們開發的有側流試紙和微流體試紙。

南方智谷生物前沿即時診斷技術研發創新團隊

廣東西安交通大學研究院——“中國南方智谷生物前沿即時診斷技術研發創新團隊”是一支集生物學、醫學、工程學、藥劑學等各領域的世界一流專家為一體的優秀的團隊。團隊帶頭人和核心成員、骨幹成員都具有非常良好的教育背景及強大的技術研發能力，同時依託西安交通大學、哈佛大學、麻省理工大學、劍橋大學、華盛頓大學和南京大學等在人才、技術和信息方面的優勢，從多學科交叉融合的角度，解決生命科學、生物醫學工程、臨床醫學和藥物學等行業的共性技術問題，提供前瞻性的技術引導；通過研發、中試，實現成果轉化，建立成果及企業孵化基地。目前的研究領域集中於開發多用途即時診斷（POC）心肌標誌物檢測試劑盒、生物晶片及個性化治療藥物篩選細胞感測器，用於解決心臟疾病的早期診斷、治療、監測等的相關臨床問題。此外，我們還致力於將流體力學、生物學和醫學等多學科領域內的研究方法與成果相結合，解決微流體晶片現場診斷需要藉助於較高要求設備的難題，為推動基本醫療在農村中的實施提供有力保障。展望未來，集聚全球高科技人才的生物前沿即時診斷技術研發創新團隊，將為推動研發創新和創業發展高地的建設和中國南方智谷建設，提高順德區及整個廣東省的科技創新能力，推動地方經濟發展和社會進步貢獻力量。

（1）團隊帶頭人

盧天健教授，1995年獲美國哈佛大學博士學位，2005年辭去劍橋大學材料工程講席教授職位全職回國工作。目前就職於西安交通大學擔任教授。近十年來，盧天健教授研究主要集中在疾病即時診斷、細胞微環境工程、生物組織熱-力耦合學、智慧型納米生物材料等領域，著眼於解決人類生命健康問題。

（2）核心成員

徐峰教授，英國劍橋大學工程學博士，西安交通大學教授。2012年入選第二批青年千人計畫和陝西省第五批百人計畫項目。申報國家發明專利6項。徐峰教授的研究方向主要集中在細胞微環境工程和疾病即時診斷技術在生物醫學工程中的套用和推廣，專長於即時診斷和細胞微環境工程在疾病診斷和藥物篩選中的套用研究。

開展基於抗體的微流體疾病即時診斷技術的開發和理論研究，開發微流體診斷晶片，實現了對愛滋病血液監測以及食品安全中細菌檢測。還開發了國際前沿的細胞印表機(Cell Bioprinter)，可利用患者自身細胞快速高通量的“列印”三維功能性組織。已成功在體外構建具有生理功能的三維微平滑肌組織模型；首次通過列印胚胎幹細胞，實現了大面積細胞分化並得到了博動的心肌微組織。

王書崎博士專長於HIV核酸快速診斷研究。研究領域涉及核酸擴增儀、擴增晶片的研發，傳染性疾病快速診斷平台的建立和GMP認證。2009 - 2011年在美國哈佛大學主要攻關 HIV 高危人群和普通人群中的篩查。該技術已被哈佛大學教授Winston Kuo譽為新一代革命性技術的突破。目前在該領域已申請多項專利。

胡一橋教授專長於藥物篩選及臨床套用研究。主要研究方向為腫瘤靶向給藥技術及腫瘤耐藥性逆轉、緩控釋製劑技術及納米靶向給藥技術。研究通過緩控釋及靶向給藥夠將藥物有選擇地送達治療部位，有選擇的殺死病灶細胞，使癌症等疾病的治療取得關鍵性的突破，取得了一定的成績。胡一橋教授還與企業進行了密切合作，近幾年向企業轉讓了多項緩控釋製劑技術，先後有多項專利及技術被企業採用，如利巴韋林眼凝膠技術專利等。胡一橋教授具有紮實的專業理論基礎和豐富的實踐經驗，非常重視新產品的開發、科技成果產業化，緊密圍繞產學研結合方針，積極參企業生產研發，並擔任了江蘇科本醫藥化學有限公司技術顧問。

Utkan Demirci博士，專長於微流體技術和即時檢測技術開發。2006年，被麻省理工學院評為35位頂尖青年發明家。目前致力於將微納技術套用於操控納升體積下的細胞，解決現實世界的醫學問題，包括傳染性疾病的診斷和監測、細胞封裝和低溫組裝、組織工程、微流體技術。開發了基於微流體的CD4細胞計數器的廉價的愛滋病毒檢測，三維組織細胞列印，高通量的血液玻璃化冷存技術。相關研究已獲得美國國立衛生研究院RO1項目多項，項目經費累計超過1000萬美元。

（3）項目產業化負責人：

魏剛

2012-今西安交通大學廣東研究院工作。

1998-2012深圳市大成建材有限公司工作。

1993-1998飛利浦消費通信（深圳）有限公司工作。

1984-1993西安重型機械研究所工作。

1980-1984西安交通大學工程力學系套用力學專業學習。

羅狄鋒

2008-2013於廣東順德區均安鎮衛生和人口計畫生育局，綜合股副股長。

2004-2007於清華大學北京協和醫學院學習。

2000-2004於瀋陽藥科大學製藥工程學院學習。

長期從事公共衛生協調管理的工作以及人口與計畫生育信息採集和統計的工作。

部分研究結果展示：

1.PMMA/Glass微晶片

2. 高靈敏度核酸檢測試紙

主要研究成果

中英文專著5本、英文專著章節11 章；SCI 源刊期刊論文100餘篇（過去5年內85篇），其中進入JCR 期刊排名10%的有40篇，總影響因子超過370；獲授權發明專利6項，實現了若干關鍵套用，其中包括被中國南方智谷以創新團隊的形式引進的科研成果。

專著

T.J. Lu, F. Xu, T. Wen, Thermo-Fluid Behaviour of Periodic Cellular Metal Materials, Science Press, China, 2012 (ISBN:978-7-03-034814-2)

盧天健，徐峰，文婷，周期性多孔金屬材料的熱流性能，科學出版社，2010 (ISBN:978-7-03-024074-3)

F. Xu, T.J. Lu, Introduction to Skin Biothermomechanics and Thermal Pain, Springer/Science Press, 2010 (ISBN:978-3-642-13201-8)

編輯專刊

Guest Editors: F. Xu, T.J. Lu, R. Zannoli

The Special Issue for the 18International Conference on Mechanics in Medicine and Biology, Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2013

Guest Editors: U.A. Gurkan, F. Xu, U. Demirci

Scaffold-Free Systems in Biomedical and Biotechnology Research, Theme Issue of Wiley Biotechnology Journal, 2011

Guest Editors: Y.N. Du, F. Xu

Latest advances in nano/micro scale technologies for biomedical applications, Theme Issue of Journal of Mechanics in Medicine and Biology, 2011

Guest Editors: F. Xu, T.J. Lu, and E.X. Guo

Multi-scale biothermal and biomechanical behaviors of biological materials, Theme Issue of Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 2010, volume 368, Issue 1912

西安交通大學仿生工程與生物力學中心